Избранные научные труды

Бор Нильс Хенрик Давид

Манчестер, Университет

12 января 1915 г.

11 СПЕКТРЫ ВОДОРОДА И ГЕЛИЯ ^*

* The Spectra of Hydrogen and Helium. Nature, 4945, 95, 6, 7.

В своем письме в «Nature» Д. Никольсон ¹ обсуждает новые интересные опыты Эванса, касающиеся спектра гелия, полученного при сильном разряде в гейслеровской трубке, заполненной исключительно чистым гелием. Эванс нашёл, что серию 4686 и серию Пикеринга можно получить в спектре гелия, не содержащем никаких следов обычных линий водорода. Эти спектральные серии наблюдались несколько лет назад Фаулером при сильном разряде в водородно-гелиевой смеси; раньше их находили только в спектрах звёзд. Кроме того, Эванс заметил, что при тех же условиях, при которых наблюдаются серия 4686 и серия Пикеринга, появляется новая серия спектральных линий; с учётом положения и интенсивности линий её можно объединить с серией Пикеринга в одну серию того же типа, что и серия 4686. Линии новой серии имеют

длины волн, очень близкие к длинам волн линий водорода серии Бальмера. В своем письме Д. Никольсон высказал мнение, что результаты Эванса не могут быть использованы для окончательного выбора между различными теоретическими объяснениями обсуждаемого спектра, поскольку новая серия, как и серия Пикеринга, может быть получена из серии 4686 с помощью общего комбинационного принципа. Я не могу согласиться с этим взглядом и хотел бы здесь высказать свои соображения об этом.

¹ D.Nicholson. Nature, 1945, 95, 44 февраля.

Согласно предложенной Ридбергом теории, которая долгое время была общепринятой, все обсуждаемые здесь линии приписывались водороду. Эта теория покоится на предположении об аналогии между спектрами водорода и щелочных металлов. Серия Бальмера, серия Пикеринга и каждая вторая линия серии 4686 рассматривались как диффузная побочная, резкая побочная и главная серии.

В теории, предложенной автором, сериальный спектр водорода представлен просто формулой

=

K

1

n₁²

–

1

n₂²

,

(1)

которая включает только серию Бальмера, серию Ритца в инфракрасной области и серию, недавно открытую Лайманом, в ультрафиолете. Все остальные серии приписывались гелию и представлялись формулой

=

4K'

1

n₁²

–

1

n₂²

,

включающей серию 4686, серию Пикеринга и новую спектральную серию Эванса. Здесь постоянная K' не равняется в точности K, но очень близка к ней; теоретически для отношения K'/K получается значение 1,00041. Теория покоится на применении квантовой теории к ядерной модели атома и из неё следует комбинационный принцип. Так как в теории принимается, что обычный спектр гелия принадлежит атому гелия, потерявшему один электрон, то спектр, представленный формулой (2), соответствует атому, потерявшему оба электрона. Если искровые спектры возникают при удалении из атома двух электронов, формула (2) должна соответствовать искровому спектру гелия, тогда как водород, в атоме которого содержится только один электрон, не может дать искровой спектр.

Поскольку количественные соотношения между различными сериями в обеих теориях не совсем одинаковы, выбор между двумя теориями стал бы возможным — против этого возражает Д. Никольсон — сразу же после точного определения длин волн линий. По-видимому, измерения как Фаулера, так и Эванса находятся в полном согласии с формулой (2); однако новые определения Эвансом длин волн серии Пикеринга трудно привести в полное согласие с предположением Ридберга о том, что серии Бальмера и Пикеринга имеют одинаковый предел. Даже отвлекаясь от вопроса о точном численном соответствии между сериями, нам представляется, что опыты Фаулера и Эванса выявили принципиальные трудности для воззрений Ридберга. Наблюдения Фаулера, обнаружившие, что серия 4686 содержит в два раза больше линий, чем серия, предсказанная Ридбергом, и наблюдение Эванса новой серии, появляющейся совместно с серией Пикеринга, полностью нарушают ту простую аналогию со спектром щелочных металлов, которая составляет основу теории Ридберга. Если мы, как предполагает Д. Никольсон, будем рассматривать серии Пикеринга и Эванса просто как выведенную из серии 4686 комбинированную серию, противоречие со спектром щелочных металлов станет ещё более резким, поскольку тогда вообще не наблюдалась бы резкая побочная серия. С другой стороны, необходимо заметить, что это простое соотношение между обеими сериями является непосредственным следствием формулы (2) и что наблюдения Эванса делают соответствие этой формулы наблюдаемым данным более полным, чем это было возможно раньше, когда наблюдался только каждый второй член серии, соответствующей n₁ = 4.

Однако я должен признать, что самым сильным доводом против точки зрения Ридберга является ясно выявленный в опытах Эванса факт, что для появления серии Бальмера необходимы совершенно другие химические условия, чем для других серий. Это различие не имеет аналога в появлении диффузной серии щелочных металлов. Я опасаюсь, что столь сильное ударение на это противоречие может показаться необоснованным, поскольку оно, конечно, учитывалось спектроскопистами ещё с того времени, когда была предложена теория; однако основы для рассмотрения этого вопроса недавно полностью изменились. Теория спектра водорода, выдвинутая Ридбергом, не только дала адекватное изложение известных тогда фактов; она была, очевидно,

единственно возможным путём для установления связи между серией Пикеринга и основополагающими исследованиями Ридберга общих соотношений между спектральными сериями. К тому же новая значительная работа Фаулера о сериях в искровом спектре показала, что эти спектры подчиняются законам того же вида, что и обычные дуговые спектры, за исключением того, что постоянная Ридберга заменяется в четыре раза большей постоянной. Формула (2) относится к общей формуле для серий искровых спектров так же, как формула (1) относится к общей формуле для серий дуговых спектров. Таким образом, в настоящее время вряд ли существуют достаточные теоретические основания, которые дали бы нам право отказаться от прямых указаний, даваемых опытом Эванса относительно химического происхождения линий.

В связи с этим интересно отметить, что приведённые выше следствия были подтверждены спектроскопическими данными совершенно другого характера. Недавно Рау ¹ выполнил интересное исследование относительно минимального потенциала, необходимого для возбуждения спектральных линий. Он нашёл, что для наблюдения линий обычного спектра водорода необходима разность потенциалов примерно 30 в; разности потенциалов, необходимые для наблюдения различных линий и серий внутри этого спектра, отличаются всего на несколько вольт. С другой стороны, он нашёл, что линии бальмеровской серии появляются при разности потенциалов примерно 13 в, тогда как для возбуждения серии 4686 и серии Пикеринга необходимо приблизительно 80 в. Согласно теории автора, энергия, необходимая для удаления электрона из атома водорода, соответствует разности потенциалов в 13,6 в, энергия, необходимая для удаления одного электрона из атома гелия,—29,0 в, а для удаления обоих электронов — 83,4 в.

¹ Rau. Sitzungsber. Phys. Med. Ges. W"urzburg, 1914.

Манчестерский университет

21 февраля 1915 г.

12 О КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ ИЗЛУЧЕНИЯ И СТРУКТУРЕ АТОМА ^*

^*On the quantum Theory of Radiation and the Structure of the Atom. Phil. Mag., 1915, 30, 394-415.

В серии работ, опубликованных в этом журнале ¹ автор попытался наметить контуры теории строения атомов и молекул, применяя квантовую теорию излучения к ядерной теории атома. Так как теория подверглась критике и, кроме того, в последнее время были получены важные экспериментальные результаты, относящиеся к затронутым вопросам, в настоящей работе будет сделана попытка рассмотреть ряд вопросов более детально.

¹ N. Воhr. Phil. Mag., 1913, 26, 1, 476, 857; 1914, 27, 506 (статьи 5 и 9). В дальнейшем эти работы будут обозначаться как I, II, III и IV соответственно. (Страницы указаны по настоящему изданию.—Ред.)

§ 1. Общие предположения

Согласно теории, предложенной Эрнестом Резерфордом для объяснения рассеяния -лучей, атом состоит из положительно заряженного ядра, окружённого роем электронов. В ядре сосредоточена основная часть массы атома, а линейные размеры ядра чрезвычайно малы по сравнению с расстояниями от ядра до окружающих его электронов. Исходя из результатов экспериментов по рассеянию -лучей, Резерфорд заключил, что заряд ядра соответствует числу электронов в атоме, равному примерно половине его атомного веса. Исследование большого числа самых различных явлений привело к более определённому заключению, что число электронов в атоме в точности равно атомному номеру, т. е. номеру соответствующего элемента в периодической таблице. Такая точка зрения впервые была высказана ван ден Бруком ². Хотя ядерная теория оказалась очень полезной при объяснении многих важных свойств атома ³, очевидно, тем не менее, что с её помощью невозможно объяснить большое число других фундаментальных свойств, если мы основываемся на обычной электродинамике; однако последнее обстоятельство в настоящее время едва ли может рассматриваться как серьёзное возражение. По-видимому, нельзя избежать заключения, что явления теплового излучения невозможно объяснить на основе обычной электродинамики и что необходимая модификация этой теории должна быть по существу эквивалентна предположениям, использованным впервые Планком при выводе его формулы для излучения ¹. Эти предположения известны как «квантовая теория». В моей предыдущей работе была сделана попытка применить основные принципы этой теории, вводя следующие общие предположения.

² Van den Broek. Phys. Zs., 1913, 14, 32.

³ См. E. Rutherford. Phil. Mag., 1914, 27, 488.

¹ См. J. Н. Jеans. Report on Radiation and the Quantum Theory. Phys. Soc. London, 1914.

A.

Атомная система обладает состояниями, в которых не происходит излучения, связанного с потерей энергии, даже если частицы движутся друг относительно друга и, согласно обычной электродинамике, излучение должно иметь место. Такие состояния называются «стационарными» состояниями рассматриваемой системы.